CN104458912B - 瓷绝缘子用小角度纵波斜探头入射点入射角及延时测量法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种瓷绝缘子用小角度纵波斜探头入射点入射角及延时的测量方法。其步骤为：一、选择一横波直探头作为基准探头；二、制作横波直探头专用试块；三、利用横波直探头专用试块测量基准横波直探头的入射点和延时；四、制作小角度纵波斜探头专用试块；五、利用横波直探头专用试块测量基准横波直探头的入射点和延时。本发明可方便、快速、准确的测量小角度纵波斜探头入射点、延时及纵波入射角，且系统误差小于5%；将测量的精确数据输入数字式超声波探伤仪中，可实现缺陷的精确定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种瓷绝缘子用小角度纵波斜探头入射点、延时及入射角的测量方法。
背景技术
超声波小角度纵波检测法检测电网在役支柱瓷绝缘子及瓷套支柱得到了广泛的应用。利用纵波入射角δ在3.8°～5.67°的小角度纵波斜探头可检测深埋在法兰内瓷体内部的缺陷，并且对危险区域的扫查覆盖面积远大于横波斜探头和直探头。而要实现缺陷的精确定位，必须精确测量小角度纵波斜探头入射点、延时及入射角。小角度纵波斜探头因其入射角δ太小，最高波幅游动范围太窄，且在钢中的折射纵横波同时存在，无法像普通横波探头一样，在CSK-ⅠA试块上通过找到圆弧面最高回波快捷准确的测得前沿及延时；目前测量探头入射点的方法为棱角反射法，这种方法可快速粗略的测量入射点，但人为因素及手法影响较大，且无法同时测量延时及纵波入射角。因此，有必要开发一种方法及试块，可方便、快速、准确的测量小角度纵波斜探头入射点、延时及纵波入射角。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种瓷绝缘子用小角度纵波斜探头入射点、延时及入射角的测量新方法。
本发明采用如下技术方案：
本发明瓷绝缘子用小角度纵波斜探头入射点入射角及延时的测量方法
一、选择一横波直探头作为基准探头；
二、制作横波直探头专用试块，其上部分：材质为有机玻璃的倾斜角α为14.3°～26.8°的直角三角形有机玻璃块；其下部分：材质为钢的形状为矩形和1/4圆形的组合呈船形钢块，有机玻璃块和钢块之间采用极薄的铝箔或铜箔或水杨酸苯脂等作为横波耦合剂紧密贴合，使得超声波横波可以透过有机玻璃和钢结合面；有机玻璃的倾斜角α满足横波直探头在钢中产生纯横波；
三、利用横波直探头专用试块测量基准横波直探头的入射点和延时；测试时将超声波检测仪调整为单探头模式，在有机玻璃块斜面上移动横波直探头，直至找到最高回波，利用声波传输路径几何关系及超声波探伤仪记录的总时间求出被测小角度横波直探头的前沿、延时及横波入射角。
四、制作小角度纵波斜探头专用试块，其上部分：材质为有机玻璃的倾斜角α′为23.8°～52.03°的直角三角形有机玻璃块；其下部分：材质为钢的形状呈船形即矩形和1/4圆形的组合的钢块，有机玻璃块和钢块之间采用极薄的耦合剂紧密贴合，使得超声波纵波可以透过有机玻璃和钢结合面；有机玻璃的倾斜角α′满足被测小角度纵波斜探头在钢中产生纯横波；
五、利用横波直探头专用试块测量基准横波直探头的入射点和延时：先将超声波检测仪调整至单探头模式，在有机玻璃斜面上前后移动找出被测小角度纵波斜探头接收回波最高位置后保持不动，再将超声波仪器调节至双探头模式，将被测小角度纵波斜探头作为发射探头，基准横波直探头作为接收探头，基准横波直探头在专用试块圆弧处移动探头，直至找出最高波幅的位置；利用声波传输路径几何关系及超声波探伤仪记录的总时间求出被测小角度纵波斜探头的前沿、延时及纵波入射角。
本发明的有益效果为：
利用本发明方法能够克服小角度纵波斜探头因入射角δ太小，最高波幅游动范围太窄，且在钢中的折射纵横波同时存在，无法在CSK-ⅠA试块上直接通过找到圆弧面最高回波准确的测量前沿及延时的缺点，可方便、快速、准确的测量小角度纵波斜探头入射点、延时及纵波入射角，且系统误差小于5%；将测量的精确数据输入数字式超声波探伤仪中，可实现缺陷的精确定位。避免了传统棱角反射法测量数据的误差较大和重复性不好等缺点。
附图说明
图1为本发明实施例中所述横波直探头专用试块结构及使用示意图；
图2为本发明实施例中所述小角度纵波斜探头专用试块结构及使用示意图。
具体实施方式
本发明一种瓷绝缘子用小角度纵波斜探头入射点、延时及入射角的测量方法，其步骤如下（见附图1、2）
（1）测量基准横波直探头的入射点和延时：
选择一横波直探头作为基准横波探头1。然后制作横波直探头专用试块，其上部分：材质为有机玻璃的一定尺寸、一定倾斜角的直角三角形机玻璃块2，其下部分：材质为钢块3的船形（矩形和1/4圆形的组合），有机玻璃块2和钢块3之间采用极薄的铝箔，铜箔或水杨酸苯脂等作为横波耦合剂5紧密贴合，使得超声波横波可以透过有机玻璃和钢结合面；其直有机玻璃的倾斜角α满足基准横波直探头1在钢中产生纯横波。
α：有机玻璃倾斜角，横波直探头在钢界面的入射角。
α1：横波直探头第一临界角，此时横波直探头在钢中的纵波折射角βL为90°。钢中为纯横波。
α2：横波直探头第二临界角，此时横波直探头在钢中的横波折射角βS为90°。入射横波在钢的界面上全反射，无折射。
β：钢中折射角。
βL：钢中纵波折射角。
βS：钢中横波折射角。
CL1：有机玻璃的纵波声速(2730m/s)。
CS1：有机玻璃的横波声速(1460m/s)。
CL2：钢的纵波声速(5900m/s)。
CS2：钢的横波声速(3230m/s)。
o：横波直探头晶片中心。
O：船型试块圆心。
根据斯涅耳定理，当α处于第一临界角α1与第二临界角α2之间时，
横波直探头在钢中只存在折射横波。
为满足上述要求，横波直探头专用试块的有机玻璃倾斜角度α范围为：
第一临界角α1：
Sinα1/CS1=SinβL2/CL2=sinβS2/CS2
令βL2=90°
α1=14.3°
此时βS2=33.1°
第二临界角α2：
Sinα2/CS1=SinβS2/CS2
令βS2=90°
α2=26.8°
因此，为使横波直探头在钢中折射的只有纯横波，消除纵波影响，有机玻璃斜度α范围：14.3°～26.8°。此时钢中折射横波的倾斜角βS范围为：33.1°-90°。
为使数值测量精确，减少误差且易操作，取钢中折射横波的倾斜角βS=45°。
则此时对应的有机玻璃斜度α=18.6°。
因此横波直探头专用试块的制作尺寸如下：
有机玻璃的倾斜角α=18.6°；
有机玻璃和钢的厚度T=20mm；
AC=400mm，OC=OD=100mm，则：
AB=AC/cosα=422mm；
BC=tanα×AC=134.6mm；
AO=300mm；
Ay=AO×cosα=284.3mm；
yB=AB-Ay=137.7mm；
yO=Sinα×AO=95.7mm；
测试时将超声波检测仪调整为单探头模式，在AB斜面上移动横波直探头，直至找到最高回波，此时超声波沿着o-y-O-D~D-O-y-o路径传播，测量探头前端部z至B的距离zB。则入射点y距离探头前端z的距离yz=yB-zB=137.7-zB（mm）。
基准横波直探头1入射点位置测试完毕。
在超声检测仪上可查出总传播时间T，则超声波在基准横波直探头内的传输时间：
tjz=T-2（yO/CS1+OD/CS2），T、yO、OD、CS1、CS2均已知，可求出tjz。
基准横波直探头延时测试完毕。
（2）测量小角度纵波斜探头探头的入射点、延时和纵波入射角：
制作小角度纵波斜探头专用试块，其上部分为一定尺寸、一定倾斜角的直角三角形有机玻璃块a3，其下部分为半圆形钢块a4，中间采用甘油等耦合剂a5紧密贴合，使得超声波纵波可以透过有机玻璃和钢结合面；其直角三角形的有机玻璃倾斜角α′满足被测小角度纵波斜探头a2在钢中产生纯横波。
α′：有机玻璃倾斜角。
δ：小角度纵波斜探头在有机玻璃界面的入射角，其瓷绝缘子检测使用的范围为δ=3.8°～5.67°。
θ：小角度纵波斜探头在钢界面的入射角，θ=α′+δ。
θ1：小角度纵波斜探头第一临界角，此时小角度纵波斜探头在钢中的纵波折射角β′L为90°。钢中为纯横波。
θ2：小角度纵波斜探头第二临界角，此时小角度纵波斜探头钢中的横波折射角β′S为90°。入射纵波在钢的界面上全反射，无折射。
β′：钢中折射角。
β′L：钢中纵波折射角。
β′S：钢中横波折射角。
CL1：有机玻璃的纵波声速(2730m/s)。
CS1：有机玻璃的横波声速(1460m/s)。
CL2：钢的纵波声速(5900m/s)。
CS2：钢的横波声速(3230m/s)。
o′：小角度纵波斜探头晶片中心。
O′：船型试块圆心。
根据斯涅耳定理，当θ处于第一临界角θ1与第二临界角θ2之间时，
小角度纵波斜探头在钢中只存在折射横波。
为满足上述要求，小角度纵波斜探头在钢界面的入射角θ的范围为：
第一临界角θ1：
Sinθ1/CL1=Sinβ′L/CL2=sinβ′S/CS2
令β′L=90°
θ1=27.6°
此时β′S=33.2°
第二临界角θ2：
Sinθ2/CS1=Sinβ′S2/CS2
令β′S2=90°
θ2=57.7°
因此，为使小角度纵波斜探头在钢中折射的只有纯横波，消除纵波影响，小角度纵波斜探头在钢界面的入射角θ的范围：27.6°～57.7°。因θ=α′+δ，δ=3.8°～5.67°，因此专用试块的有机玻璃倾斜角度α′范围为：α′=θ-δ=23.8°～52.03°
此时钢中折射横波的倾斜角β′S范围为：33.2°-90°。
为使数值测量精确，减少误差且易操作，取钢中折射横波的倾斜角β′S=45°。
则此时对应的小角度纵波斜探头在钢界面的入射角θ=36.7°
对应的有机玻璃斜度α′=θ-δ=36.7°-δ。
取δ=（3.8°+5.67°）/2=4.7°，则α′=32°。
因此小角度纵波斜探头专用试块的制作尺寸如下：
有机玻璃的倾斜角α′=32°；∠A′y′O′=90°+δ
有机玻璃和钢的厚度T′=20mm；
A′C′=400mm，O′C′=O′y=100mm，则：
A′B′=A′C′/cosα′=471.7mm；
B′C′=tanα′×A′C′=250mm；
A′O′=300mm；
测试时先将超声波检测仪调整为单探头模式，在A′B′斜面上移动被测小角度纵波斜探头，直至找到最高回波后探头位置保持不动。此时超声波沿着o′-y′-O′-D′~D′-O′-y′-o′路径传播，但D′位置无法确定；再将超声波仪器调节至双探头模式，被测小角度纵波斜探头作为发射探头，基准横波直探头作为接收探头，基准横波直探头与钢之间涂抹水杨酸苯脂作为耦合剂，在专用试块圆弧处在45°附近移动基准横波直探头，直至找出最高波幅的位置。此时超声波沿着o′-y′-O′-y-o路径传播，y点的位置即为D′的位置。连接基准横波直探头入射点y与船型试块圆心的直线oyO′，测量此时钢中折射横波倾斜角β′s。
Sinθ/CL1=Sinβ′s/CS2
可计算出此时小角度纵波斜探头在钢界面的入射角θ，δ=θ-α′，可求出δ。
被测小角度纵波斜探头入射角δ测定完毕。
则∠A′y′O′=90°+δ，可知；
∠y′O′A′=180°-α′-∠A′y′O′=180°-32°-90°-δ=58°-δ，也可知。
在△y′O′A′中，利用正弦定理：
A′y′/sin∠y′O′A′=A′O′/sin∠A′y′O′
则A′y′可知；y′B′=A′B′-A′y′=471.7-A′y′，也可知。
测量探头前端部z′至B′的距离z′B′。
则入射点y′距离探头前端z′的距离y′z′=y′B′-z′B′（mm）。
被测小角度纵波斜探头入射点位置测试完毕。
在超声检测仪上可查出双探头模式下总的传播时间T′，则双探头模式下超声波在被测小角度纵波斜探头内的传输时间Ʈxjd：
Ʈxjd=T′-（y′O′/CS1+O′y/CS2+tjz/2），T′、y′O′、O′y、tjz、CS1、CS2均已知，可求出Ʈxjd。
单探头模式下，被测小角度纵波斜探头内的传输时间txjd=2Ʈxjd
被测小角度纵波斜探头延时测试完毕。
Claims (1)
1.瓷绝缘子用小角度纵波斜探头入射点入射角及延时的测量方法，其特征在于该方法的步骤如下：
（一）、选择一横波直探头作为基准探头；（二）、制作横波直探头专用试块，其上部分：材质为有机玻璃的，倾斜角α为14.3°—26.8°的直角三角形有机玻璃块；其下部分：材质为钢的，形状为矩形和1/4圆形的组合呈船形的钢块，有机玻璃块和钢块之间采用极薄的铝箔或铜箔或水杨酸苯脂作为横波耦合剂紧密贴合，使得超声波横波可以透过有机玻璃和钢结合面；有机玻璃的倾斜角α满足横波直探头在钢中产生纯横波；
（三）、利用横波直探头专用试块测量基准横波直探头的入射点和延时；测试时将超声波检测仪调整为单探头模式，在有机玻璃块斜面上移动横波直探头，直至找到最高回波，利用声波传输路径几何关系及超声波探伤仪记录的总时间求出被测小角度横波直探头的前沿、延时及横波入射角；
（四）、制作小角度纵波斜探头专用试块，其上部分：材质为有机玻璃的倾斜角α′为23.8°—52.03°的直角三角形有机玻璃块；其下部分：材质为钢的，形状呈船形即矩形和1/4圆形的组合的钢块，有机玻璃块和钢块之间采用极薄的耦合剂紧密贴合，使得超声波纵波可以透过有机玻璃和钢结合面；有机玻璃的倾斜角α′满足被测小角度纵波斜探头在钢中产生纯横波；
（五）、利用小角度纵波斜探头专用试块测量小角度纵波斜探头的入 射点和延时：先将超声波检测仪调整至单探头模式，在有机玻璃斜面上前后移动找出被测小角度纵波斜探头接收回波最高位置后保持不动，再将超声波仪器调节至双探头模式，将被测小角度纵波斜探头作为发射探头，基准横波直探头作为接收探头，基准横波直探头在专用试块圆弧处移动探头，直至找出最高波幅的位置；利用声波传输路径几何关系及超声波探伤仪记录的总时间求出被测小角度纵波斜探头的前沿、延时及纵波入射角。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |